宇宙之我见

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  人们把空间分为三维,又把时间定为一维,合起来称四维时空。但是,时间和空间有什么关系?它们的结合点又在哪里?基于哈勃现象,人们描画了一幅物质“爆炸”出来的宇宙图景,认为这就是宇宙的诞生过程。难道物质从空间中某个点以爆炸形式产生就是宇宙诞生的全过程吗?这种观点实际上是默认了宇宙存在于空间中。就像物质存在于宇宙中一样,都是忽视了空间,忽视了时间。
  空间并不是一无所有的代表,空间是一种实实在在的东西。有了它,实物质和能场才有了展示它们的舞台。空间是活的,它永远按自身的规律不断成长。空间的增生率与宇宙绝对时间两者之间有着特定的对应关系,这种关系就是空间和时间的结合点。由于空间的不断生长,才有了我们今天的宇宙。哈勃现象就是空间不断生长在一定范围里和一定时间内所产生的现象。由此,我们才可以推定宇宙诞生的初期,也就是所谓的“宇宙的大爆炸起源”。所以,我们讨论空间就离不开时间,时空是一体的。
  大约在200亿年前,在物理空间还不存在的时候,只有一个奇点,它具有极大的能量。由于当时还没有空间,所以包括引力场在内的任何辐射场均不存在。因而,“外界”无法感知到奇点的存在。就在某一时刻(这也是时间的起点,宇宙的零时刻),由于某种原因,奇点的约束态平衡被破坏。于是,它像某种受精机制那样,从那一瞬起,原始空间因子从奇点里产生出来,并由此一变二,二变四——空间因子急剧增生。
  空间是由无数个紧密排列在一起的空间因子组成的,空间因子极其小(比普通基本粒子小得多)。它们的生长点就在这些空间因子的结合处,因此任何一部分空间都有相当多的生长点。新的空间因子随机地在这些生长点上产生出来。这种过程也像生物的生长一样,属于一种膨胀性生长。它也可以说成是一种爆炸,但爆炸中心不是一个,而是无数个,且层出不穷。
  随着新空间不断从旧空间里生出来,宇宙年龄也随之增大。而奇点里无比巨大的能量也同时以某种场的形式,均衡地注入到刚生成的全部物理空间内。空间一下子成了巨能的载体,它具有极高的能量密度,温度也极其高。在宇宙的这段最初时期里,新诞生的物理空间里有些什么,能以什么形态存在,我们尚无法做出推测,但却可以肯定实物质还未出现。我们把宇宙诞生时的这个时期叫做初始宇宙。宇宙的初始时期可能短暂到只有10-23秒,尺寸和电子的大小相当。
  由于空间的不断扩大,温度也开始下降。当宇宙历时约0.3秒时,温度已下降到1016K左右。这时,自由夸克出现了,并充满了当时空间的各处。我们称这个时期的宇宙为宇宙的自由夸克时期。自由夸克的出现,表示能量已经以实物质的形式出现在物理空间内。
  宇宙的能量密度随空间的增大而减小,温度也随体积的增大而降低。当温度下降到3×1014K以下时(这时宇宙年龄在数秒至数十秒),自由夸克逐渐被幽禁在一个个核子大小的空间范围内,并形成了以核子为主的多种类型的基本粒子。这样,宇宙便进入到另一个时期,即宇宙的核子时期。
  这以后,宇宙空间里的各类正反粒子间发生了湮灭,静能被极大地释放出来,光辐射开始出现。一方面,光辐射加热了宇宙物质,缓和了宇宙因空间增大而使温度下降的趋势;另一方面,光子间的碰撞又产生了无数成对的粒子。就这样,湮灭过程持续了十多万秒,直到空间温度低于所有强子的阈温度,这一湮灭过程才告结束。这一过程使宇宙中占现有核子总数约109倍的核子都湮灭了,只留下了唯一一种较稳定的中性正物质粒子——中子。这部分中子因为宇宙缺少同样多的反中子而不能被湮灭,才幸存了下来,日后构成了今日宇宙的各种可见物质。随后,充满宇宙的极强电磁辐射又不断产生出许多电子对,这些电子对与光子间的散射保持着物质与辐射间的热平衡。与此同时,自由中子还与电子对等参与了下列过程:
  中子+正电子=质子+反中微子
  质子+电子=中子+中微子
  当温度下降到电子的阈温度以下时,电子对除了参与上述过程产生中微子以外,剩下的全部都湮灭掉了。没有了电子对做媒介,那种类似于原子核内的中子衰变的弱作用过程,便在这一阶段上停止了。
  另外,还有一个过程也在这一期间进行着,那就是自由中子与产生出来的质子发生碰撞(因为这时宇宙尺度还不很大,只有几十万秒,温度又很高,约109K~1010K),使得自由中子和质子通过核力紧密结合起来,变得绝对稳定。这种结构的物质主要就是氘核。当温度低于109K以后,宇宙中所有自由中子除了已与质子结合成氘核的以外,都变成质子了。宇宙就是这样,花了六十多年时间打造出了构成我们今日宇宙的基础物质。
  上述自由中子是宇宙早期由于某种不确定的原因而留下的,于是就有了中子,进而又有了质子、电子,并因此组成了各种元素,也就有了我们宇宙的物质世界。而宇宙中质子数加中子数依然等于原重子数,符合重子数守恒法则;质子总电荷加电子总电荷也正好等于零,保持了净电荷数为零;电子轻子数加反中微子轻子数也应该等于零,只是反中微子不易探测到。同时,它也符合我们宇宙从整体上讲是正物质的、电中性的这一特征。
  以上就是宇宙在进入核子期以后一段时期发生的主要过程。而在这些过程结束后,宇宙实物质的总质量也只有总辐射质量的数十万分之一,所以我们把这段时期称为宇宙的光子时期。这期间,宇宙就像一个不断长大、又不断变色的光球,从极强的电磁辐射、x射线、紫外线辐射球变成了可见光光球——辐射能量不断随宇宙变大而下降。当宇宙年龄在数十万年时,宇宙进入到一个辐射质量和物质质量相等的转折期,从那以后物质开始再次成为宇宙空间的主角。
  再经过几千万年,当宇宙的温度降为几千摄氏度后,原子开始形成。它们随着空间的增大,渐渐弥散开来,分布越来越广;空间也随之越来越冷,越来越暗,同时,空间增长率也越来越低。渐渐地,在一定范围内万有引力对物质分布的影响逐渐占了上风。
  在宇宙年龄为10亿年的阶段,空间温度不到100K,电中性的粒子如氢原子和重氢原子等本来是均匀散布在空间里,做着速度不大的无规则的热运动。由于几率原因,重氢的分布在某个时段、某个小的范围里变密了一些,而万有引力又使该部分物质的分布密度有了进一步加大的趋势,并进而形成模糊的物质团。许多距离较近的物质团开始互相吸引、靠拢并发生软碰撞,合并成更大团块。而各物质团中的较重粒子(氘、氚等),则掉进其公共中心,使物质团有了一个密度较大的核心。于是,这种脆弱的热平衡就轻易地被万有引力打破了,这使得混沌转变成有序。物质富集现象就这样愈演愈烈了,久而久之,在宇宙中形成了诸多隐约的物质“岛”。在万有引力作用下的物质在各区域内的重新集结,不仅富集了物质本身,也富集了物质的动能、角动量等。于是,在区域内物质温度再次升高,物质团内压力重新变大并开始旋转起来,终于导致了热核反应发生。
  最初的热核反应主要是由氘核生成氦核的核物理过程。它可能发生在类星体中心或超大星体核心(其内温度可达109K),反应产生的高能甚至可使其中心物质一簇簇向外喷射出去,或发生猛烈爆炸。类星体解体后,产生了第一代恒星。第一代恒星大多寿命都很短(个头较大),其晚年爆炸解体后,由其残体重新集结,经过吸积、碰撞等过程,产生出第二代恒星。第二代恒星大多是一个个天体家族,我们的太阳系就是其中之一。第一、二代恒星上主要进行的是燃烧氢的热核过程,并主要由光辐射和中微子将其能量带走。
  第一代恒星在生命结束的刹那带给了我们许多丰富的化学元素(包括许多较重元素),所以,现在宇宙才有可能产生出各种有机物,包括能建造生命的物质,最后在一定条件下孕育出生命。生命通过进化不断完善自己,并导致高智商生物物种出现,DNA就是物质演化从无序到有序的精彩之作。
  最后,我说说我不想去描述的宇宙末日的图景:宇宙进入晚年后,将有越来越多的恒星因衰老而死亡,并有相当数量转变成黑洞,那时宇宙空间将变得千疮百孔。一方面,这些黑洞除了吞进其周围的物质外(包括吸进中微子),还在其质量增大到一定程度后,又开始吞噬其周围的空间,使黑洞质量迅速变大,进而又加大了其吞噬空间和吸入物质的能力;另一方面,黑洞与相邻的黑洞因互相吸引,导致它们之间的空间减少而靠近、融合。如此下去,愈演愈烈,黑洞越来越大,空间不断萎缩。最后,空间急剧坍缩。一切都和宇宙诞生时基本相反,空间没有了,时间也画上了休止符,所有信息都化为乌有。宇宙就这样消失了,留下的依然是一个不稳定的、不确定的、蕴藏着极大能量的奇点。
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